Synchronous Machine pu Standard

Моделируйте динамику трехфазной синхронной машины с неявнополюсным ротором или линейным полюсом с использованием стандартных параметров в единицах измерения pu

развернуть все на странице

Библиотека:
Simscape / Электрический / Специализированные Энергосистемы / Электрические Машины

Описание

Блок Synchronous Machine pu Standard моделирует синхронную машину в генераторном или моторном режиме, используя стандартные параметры в единицах измерения pu. Режим работы диктует знак механической степени (положительный для режима генератора или отрицательный для режима мотора). Электрическая часть машины представлена моделью пространства состояний шестого порядка, и механическая часть та же, что и в блоке Simplified Synchronous Machine.

Модель учитывает динамику обмоток статора, поля и демпфера. Эквивалентная схема модели представлена в исходной системе координат ротора (qd система координат). Обмотки статора соединены в соединениях с внутренней нейтральной точкой. Все параметры ротора и электрические величины просматриваются из статора и идентифицируются грунтованными переменными. Нижние индексы:

d,q - d - и q-составляющая величина
R,s - Количество ротора и статора
l,m - Индуктивность утечек и намагничивания
f,k - количество обмотки возбуждения и демпфера

Электрическая модель машины показана на этих схемах.

Динамическая модель с неравной взаимной индуктивностью

Обычная теория синхронного машинного моделирования для анализа устойчивости принимает, что взаимные индуктивности между якорем, демпфером и полем на обмотках с прямой осью идентичны. Обычно обмотки демпфера находятся вблизи воздушного зазора, и в результате цепи демпфера, связывающие поток, почти равны якорю, связывающему поток. Эта гипотеза дает приемлемые результаты для широкой области значений исследований стабильности, особенно на стороне сети. Однако, когда дело доходит до полевых текущих исследований, существует значительная ошибка. Эквивалентная схемная динамическая модель синхронной машины может включать дополнительную индуктивность, представляющую различие между демпфером возбуждения и взаимными индуктивностями якоря возбуждения на оси D [1]. Эта индуктивность обычно называется Canay inductance. Индуктивность каната соответствует потоку утечек, _ΦC, на следующем рисунке и интерпретируется как корректирующий элемент в эквивалентной модели, которая может иметь отрицательное значение [2].

Стандарт IEEE 1110-2002 [3] представляет прямые и квадратичные оси динамической модели синхронной машины, как показано на схемах.

Релевантными уравнениями являются:

$\begin{array}{l} V_{d} = - i_{d} R_{s} - ω ψ_{q} + \frac{d ψ_{d}}{d t} \\ V_{q} = - i_{q} R_{s} + ω ψ_{d} + \frac{d ψ_{q}}{d t} \\ V_{0} = - i_{0} R_{0} + \frac{d ψ_{0}}{d t} \\ V_{f d} = \frac{d ψ_{f d}}{d t} + R_{f d} i_{f d} \\ 0 = \frac{d ψ_{k d}}{d t} + R_{k d} i_{k d} \\ 0 = \frac{d ψ_{k q 1}}{d t} + R_{k q 1} i_{k q 1} \\ 0 = \frac{d ψ_{k q 2}}{d t} + R_{k q 2} i_{k q 2} \\ [\begin{matrix} ψ_{d} \\ ψ_{k d} \\ ψ_{f d} \end{matrix}] = [\begin{matrix} L {}_{m d}+ L_{l} & L_{m d} & L_{m d} \\ L_{m d} & L_{l k d} + L_{f}_{1 d} + L_{m d} & L_{f}_{1 d} + L_{m d} \\ L_{m d} & L_{f}_{1 d} + L_{m d} & L_{l f d} + L_{f}_{1 d} + L_{m d} \end{matrix}] [\begin{matrix} - i_{d} \\ i_{k d} \\ i_{f d} \end{matrix}] \\ [\begin{matrix} ψ_{q} \\ \begin{array}{l} ψ_{k q 1} \\ ψ_{k q 2} \end{array} \end{matrix}] = [\begin{matrix} L_{m q} + L_{l} & L_{m q} & L_{m q} \\ L_{m q} & L_{m q} + L_{k q 1} & L_{m q} \\ L_{m q} & L_{m q} & L_{m q} + L_{k q 2} \end{matrix}] [\begin{array}{l} \begin{matrix} - i_{q} \\ i_{k q 1} \end{matrix} \\ i_{k q 2} \end{array}] \end{array}$

Допущения и ограничения

В дискретных системах, когда вы устанавливаете параметр Discrete solver model блока Synchronous Machine равным Trapezoidal non iterativeВозможно, вам придется подключить небольшую паразитную резистивную нагрузку к клеммам машины, чтобы избежать численных колебаний. Большие шаги расчета требуют больших нагрузок. Минимальная резистивная нагрузка пропорциональна шагу расчета. Как правило, помните, что с временным шагом 25 мкс на системе 60 Гц минимальная нагрузка составляет примерно 2,5% номинальной степени машины. Для примера синхронная машина 200 MVA в степень системе, дискретизированной с шагом расчета 50 мкс, требует приблизительно 5% сопротивления или 10 МВт. Если шаг расчета уменьшается до 20 мкс, должна быть достаточной резистивная нагрузка 4 МВт.

Однако, если вы задаете значение параметра Discrete solver model блока Synchronous Machine Trapezoidal iterative (alg. loop), можно использовать незначительную паразитную нагрузку (ниже 0,1% номинальной степени) при сохранении численной устойчивости. Эта итерационная модель создает алгебраический цикл и приводит к более медленной скорости симуляции.

Порты

Вход

расширить все

`Pm` - Механическая степень
скаляр

Механическая степень на валу машины, в пу. В режиме генератора этот вход может быть положительной константой или функцией или выходом блока первичного двигателя (см. блоки Hydraulic Turbine and Governor или Steam Turbine and Governor). В моторном режиме этот вход обычно является отрицательной константой или функцией.

Зависимости

Чтобы включить этот порт, установите параметр Mechanical input (Configuration вкладка) равным Mechanical power Pm.

`w` - Скорость машины
скаляр

Скорость машины, в рад/с.

Зависимости

Чтобы включить этот порт, установите параметр Mechanical input (Configuration вкладка) равным Speed w.

`Vf` - Напряжение возбуждения
скаляр

Напряжение возбуждения, в пу. Это напряжение может быть подано регулятором напряжения в режиме генератора (см. Excitation System блок). В моторном режиме это значение этого входа обычно является константой.

Выход

расширить все

`m` - Сигнал измерения
24-элементный вектор

Сигналы измерения, возвращенные как вектор с 24 элементами. Можно демультиплексировать эти сигналы с помощью блока Bus Selector.

Имя	Определение	Модули
МСФО	Ток статора is_a	pu
ibs	Ток статора is_b	pu
ics	Ток статора is_c	pu
IQ	Ток статора iq	pu
я бы	Идентификатор тока статора	pu
IFD	Ток поля ifd	pu
ikq1	Ток обмотки демпфера ikq1	pu
Ikq2	Ток обмотки демпфера ikq2	pu
ikd	Ток обмотки демпфера ikd	pu
phimq	Взаимный fimq потока	pu
phimd	Взаимный Фимд Потока	pu
vq	Напряжение статора vq	pu
vd	Напряжение статора vd	pu
lmq	Lmq насыщенная индуктивность	pu
lmd	Lmd насыщенная индуктивность	pu
dtheta	Отклонение угла ротора d_theta	рад
w	Скорость ротора wm	pu
Pe	Электрическая степень Pe	pu
собственный вес	Отклонение скорости ротора dw	pu
theta	Механический угол theta ротора	степень
Те	Электромагнитный крутящий момент Te	pu
дельта	Дельта угла нагрузки	степень
Pe0	Выходная активная степень Peo	pu
Qe0	Выходная реактивная степень Qeo	pu

Угловое отклонение угла theta ротора представляет собой электрический угол, дающий текущее положение ротора относительно общей ссылки, вращающейся с синхронной скоростью. Этот угол полезен в исследованиях устойчивости, чтобы измерить относительные положения роторов различных машин в сети. Положения роторов затем измеряются относительно theta данной машины, выбранной в качестве опорной.

Сохранение

расширить все

`A` - Электрический вывод фазы А
специализированный электрический

Специализированный электрический порт сопоставлен с электрическим выводом фазы А.

`B` - Электрический вывод фазы B
специализированный электрический

Специализированный электрический порт сопоставлен с электрическим выводом фазы B.

`C` - Электрический вывод фазы C
специализированный электрический

Специализированный электрический порт сопоставлен с электрическим выводом фазы С.

`S` - Вал ротора машины
механический

Механический вращательный порт сопоставлен с валом ротора машины.

Зависимости

Чтобы включить этот порт, установите параметр Mechanical input (Configuration вкладка) равным Mechanical rotational port.

Параметры

расширить все

Задайте стандартные параметры, также известные как рабочие параметры синхронной машины (такие как установившееся состояние, переходные и/или вычитающие реактивные напряжения и временные константы) в качестве входов для блока. Как правило, производители машин обеспечивают рабочие параметры.

В программном обеспечении анализа степеней уравнения синхронной машины обычно решаются с помощью метода преобразования прямой квадратуры и нуля. Метод преобразования данных вычисляет фундаментальные параметры из стандартных параметров [2], [3].

Строение

`Preset model` - Электрические и механические параметры
`No` (по умолчанию) | `01: 50Hz 400V 8.1kVA 1500RPM` | `02: 50Hz 400V 16kVA 1500RPM` | ...

Набор предопределенных электрических и механических параметров для различных номиналов синхронной машины степени (кВА), напряжения преобразования фазы в фазу (V), частоты (Гц) и номинальной скорости (об/мин).

Выберите одну из предустановленных моделей, чтобы загрузить соответствующие электрические и механические параметры. Варианты:

01: 50Hz 400V 8.1kVA 1500RPM
02: 50Hz 400V 16kVA 1500RPM
03: 50Hz 400V 31.3kVA 1500RPM
04: 50Hz 400V 42.5kVA 1500RPM
05: 50Hz 400V 60kVA 1500RPM
06: 50Hz 400V 85kVA 1500RPM
07: 50Hz 400V 250kVA 1500RPM
08: 50Hz 400V 325kVA 1500RPM
09: 50Hz 400V 670kVA 1500RPM
10: 50Hz 400V 910kVA 1500RPM
11: 50Hz 400V 1320kVA 1500RPM
12: 50Hz 400V 2000kVA 1500RPM
13: 60Hz 460V 10.2kVA 1800RPM
14: 60Hz 460V 20kVA 1800RPM
15: 60Hz 460V 37.5kVA 1800RPM
16: 60Hz 460V 52.5kVA 1800RPM
17: 60Hz 460V 72.5kVA 1800RPM
18: 60Hz 460V 100kVA 1800RPM
19: 60Hz 460V 300kVA 1800RPM
20: 60Hz 460V 406kVA 1800RPM
21: 60Hz 460V 800kVA 1800RPM
22: 60Hz 460V 1075kVA 1800RPM
23: 60Hz 460V 1588kVA 1800RPM
24: 60Hz 460V 2500kVA 1800RPM

Выберите No (по умолчанию) если вы не хотите использовать предустановленную модель или хотите изменить некоторые параметры предустановленной модели, как описано ниже.

При выборе предустановленной модели электрические и механические параметры на вкладке Parameters затемняются. Чтобы начать с предустановленной модели и затем изменить параметры машины:

Выберите предустановленную модель, которую вы хотите инициализировать параметры.
Измените параметр Preset model на No. Это действие не изменяет параметры машины, но разрывает связь с предустановленной моделью.
Измените параметры машины так, как вы хотите.

`Mechanical input` - Механический вход
`Mechanical power Pm` (по умолчанию) | `Speed w` | `Mechanical rotational port`

Представляет ли механическая степень, приложенная к валу, или скорость ротора как Simulink^® вход блока или для представления вала машины с Simscape™ вращательным механическим портом.

Выберите Mechanical power Pm чтобы задать механический вход степени, в pu, и показать порт Pm. Скорость машины определяется постоянной инерцией H и различием между механическим крутящим моментом Tm, который является результатом приложенной механической Pm степени, и внутренним электромагнитным крутящим моментом Te. Когда скорость положительная, положительный механический сигнал степени указывает на режим генератора, а отрицательный сигнал указывает на режим мотора.

Выберите Speed w чтобы задать вход в pu и открыть w порт. Скорость машины налагается, и механическая часть модели (постоянное H инерции) игнорируется. Использование скорости в качестве механического входа позволяет вам смоделировать механическую связь между двумя машинами.

Следующий рисунок показывает, как смоделировать жесткое соединение вала в наборе генераторов, где обе машины являются синхронными машинами.

Выход скорости машины 1 (двигатель) соединяется со входом скорости машины 2 (генератор). На этом рисунке крутящий момент трения проигнорирован в машине 2. Поэтому выходной Te электромагнитного крутящего момента соответствует Tm механического крутящего момента, приложенному к валу машины 1. Соответствующая механическая входная степень машины 1 вычисляется как Pm = Tm * w. Коэффициент Kw учитывает модули скорости обеих машин (pu) и отношение коробки передач w2/w1. Коэффициент KT учитывает модули крутящего момента обеих машин (pu) и номинальные значения машины. Кроме того, поскольку J2 инерции проигнорирована в машине 2, J2 относится к скорости машины 1 и должно быть добавлено к инерции машины 1, J1.

Выберите Mechanical rotational port S, чтобы открыть механический вращательный порт Simscape, который позволяет вам соединить вал машины с другим валом машины или с другими блоками Simscape, которые имеют механические вращательные порты.

Рисунок показывает, как соединить блок Ideal Torque Source из библиотеки Simscape с портом вала машины, чтобы представлять машину в режиме двигателя или режиме генератора, когда скорость ротора положительная.

`Rotor type` - Тип ротора
`Salient-pole` (по умолчанию) | `Round`

Задайте тип ротора следующим образом Salient-pole или Round (цилиндрический). Настройка влияет на количество схем ротора в q-оси (обмотки демпфера).

`Use signal names to identify bus labels` - Как идентифицировать метки шины
`off` (по умолчанию) | `on`

Когда этот флажок установлен, выходы измерения используют имена сигналов для идентификации меток шины. Выберите эту опцию для приложений, которые требуют, чтобы метки сигналов шины имели только алфавитно-цифровые символы.

Когда этот флажок снят, выходы измерения используют определение сигнала для идентификации меток шины. Метки содержат неалфавитно-цифровые символы, которые несовместимы с некоторыми приложениями Simulink.

Параметры

`Nominal power, line-to-line voltage, frequency [ Pn(VA) Vn(Vrms) fn(Hz) ]` - Номинальная степень, линейное напряжение и частота
`[6e+04 400 50]` (по умолчанию) | трехэлементный вектор

Общая трехфазная видимая степень (VA), линейное напряжение RMS (pu), частота (Гц) и ток возбуждения (pu).

Этот параметр идентичен параметру Nominal power, voltage, frequency, field current [ Pn(VA) Vn(Vrms) fn(Hz) ifn(A) ] блока Synchronous Machine SI Fundamental, кроме того, что вы не задаете номинальный ток поля. Это значение не требуется, потому что блоку Synchronous Machine pu Standard не нужен коэффициент преобразования. Поскольку величины ротора просматриваются из статора, они преобразуются в pu с помощью базовых величин статора, выведенных из предыдущих трех номинальных параметров.

`Reactances [ Xd Xd' Xd'' Xq Xq'' Xl ] (pu)` - Реактивные напряжения
`[2.24 0.17 0.12 1.02 0.13 0.08]` (по умолчанию) | вектор с шестью элементами

d ось синхронное реактивное Xd, переходное реактивное Xd 'и вычитающее реактивное Xd "; q -ось синхронного реактивного Xq и вычитающего реактивного Xq "; и реактивное Xl утечек (все в pu).

Зависимости

Чтобы включить этот параметр, установите Rotor type равным Salient-pole.

`Reactances [ Xd Xd' Xd'' Xq Xq' Xq'' Xl ] (pu)` - Реактивные напряжения
`[ 1.81, 0.3, 0.23, 1.76, 0.65, 0.25, 0.15 ]` (по умолчанию)

d ось синхронное реактивное Xd, переходное реактивное Xd 'и вычитающее реактивное Xd "; q - синхронное реактивное Xq, переходное реактивное Xq 'и вычитающее реактивное Xq "; и реактивное Xl утечек (все в pu).

Зависимости

Чтобы включить этот параметр, установите Rotor type равным Round.

`d axis` - d -ось времени константа
`Short-circuit` (по умолчанию) | `Open-circuit`

Временная константа для оси d.